摘要：本文主要探討涵側(cè)填土對(duì)涵洞地基承載力的作用。具體是結(jié)合基底土體的受力特征和情況，對(duì)普朗特爾與普朗特爾雷斯諾的極限承載力公式進(jìn)行了推導(dǎo)，然后根據(jù)結(jié)論設(shè)計(jì)不同涵側(cè)填土高度的室內(nèi)模型試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)過(guò)程模擬了質(zhì)粘土的地基承受荷載而變形一直到被損壞。從荷載-沉降曲線測(cè)量到不同填土高度的極限承載力，并且分析了填土臨界的高度問(wèn)題，與此同時(shí)對(duì)比了《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，加上參照經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值以及實(shí)際測(cè)量數(shù)值的誤差，得出如下結(jié)果：增加側(cè)填土高度會(huì)顯著提高地基的承載力，但是其提高的速率是非線性，一般是由18. 4%提升到36. 83%，然后再降回8. 91% ;對(duì)臨界高度內(nèi)的地基承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不但要考慮選擇適合的計(jì)算公式，同時(shí)也需要考慮不同的試驗(yàn)方法所得出的計(jì)算參數(shù)的影響。

　　關(guān)鍵詞：道路工程,高填方涵洞,室內(nèi)模型試驗(yàn),側(cè)向填土,臨界高度,地基承載力

　　1.前言

　　實(shí)施涵側(cè)填施工可以限制基底土體的側(cè)向擠出，這樣能夠極大地提升地基土體的整體穩(wěn)定性。西方歐美國(guó)家建設(shè)公路比較環(huán)保，常以不破壞天然的山體為先，因此，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)于高路堤涵洞的研究很少, 研究得比較多的是低填土情況下涵洞的結(jié)構(gòu)和受力。我國(guó)在高填方涵洞放慢的研究更多是關(guān)于上方填土對(duì)承載力的影響，而側(cè)填土對(duì)涵洞地基承載力的作用的研究并不多見(jiàn)。當(dāng)前的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，埋置的深度超過(guò)0. 5 m的時(shí)候，可以對(duì)建筑物的地基承載力加以修正，其深度以室外地面的標(biāo)高為準(zhǔn);《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，埋置的深度超過(guò)3m時(shí)，要考慮修正橋涵地基的承載力，其埋置深度要從天然地面計(jì)算。當(dāng)基礎(chǔ)埋置的深度大于一個(gè)定值后，以上的兩個(gè)規(guī)范都提出了修正地基承載力的要求。通常填土的荷載占據(jù)了大部分的涵洞荷載空間，設(shè)計(jì)師應(yīng)該多考慮涵側(cè)填土所起到的提高地基承載力的作用。目前許多道路工程中，都沒(méi)有考慮埋深效應(yīng)，往往導(dǎo)致在設(shè)計(jì)時(shí)承載力會(huì)偏高，地基的剛度偏大，致使涵洞不斷發(fā)生病害，這些病害會(huì)嚴(yán)重影響到高速公路的運(yùn)營(yíng)。所以對(duì)側(cè)填荷載對(duì)涵洞地基承載力影響的研究非常必要。

　　2.理論分析

　　目前推行的計(jì)算地基極限承載力的公式大多數(shù)是以普朗特爾極限承載力公式為基礎(chǔ)，而進(jìn)行新的假設(shè)推導(dǎo)而來(lái)?，F(xiàn)在筆者從推導(dǎo)普朗特爾和普朗特爾雷斯諾公式入手，對(duì)這兩個(gè)公式進(jìn)行比較，然后得出涵側(cè)填土施工在提高地基承載力所起到的作用。

　　2.1普朗特爾極限承載力計(jì)算公式

　　能支持普朗特爾公式進(jìn)行計(jì)算是在以下這兩點(diǎn)假設(shè)條件上的：一，條形基礎(chǔ)基底壓力需要均勻分布;二，地基被損壞了，會(huì)沿著圖1所示的整體滑動(dòng)并且中線是對(duì)稱(chēng)的。I區(qū)是彈性壓密區(qū)，直線 A B 和A E相切也和水平面成 的傾角，II區(qū)是過(guò)渡塑性區(qū)，滑動(dòng)線BE是對(duì)數(shù)的螺旋線，即 ，III區(qū)是被動(dòng)區(qū)，其水平面和破裂面所成傾角 。

　　研究對(duì)象選擇脫離體 OBEG，如圖 2所示，其基礎(chǔ)埋深是0，依據(jù)作用在脫離體上力的平衡條件，在A點(diǎn)取矩就能計(jì)算出地基的極限承載力。

　　2. 2 普朗特爾雷斯諾極限承載力計(jì)算公式

　　若是對(duì)一定的埋置深度d進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]，可把基底上部的土的重力使用均布超載 替代，雷斯諾推導(dǎo)了考慮基礎(chǔ)埋置深度的極限承載力公式，如圖3所示，其基礎(chǔ)埋深用d表示。

　　2. 3涵側(cè)填土對(duì)提高地基極限承載力的作用

　　普朗特爾雷斯諾公式要比普朗特爾公式多一項(xiàng) qNq，而且這一項(xiàng)其數(shù)據(jù)僅僅和土的內(nèi)摩擦角相關(guān)，因而會(huì)加深基礎(chǔ)埋深d，總的來(lái)說(shuō)，qNq數(shù)值變大，地基的承載力也會(huì)相應(yīng)的增加。而關(guān)于埋置在路堤中間的構(gòu)造物，其發(fā)生的涵側(cè)填土類(lèi)似于埋深效應(yīng)，也能有效地提高的地基承載力。

　　2. 4涵側(cè)填土在提高涵洞地基承載力放慢所起到的作用

　　設(shè)計(jì)地基承載力，主要考慮安全儲(chǔ)備方面的極限承載力，其實(shí)就是極限的承載力除以安全系數(shù)，所以，提高了地基的極限承載力就等于提高了地基的承載力。根據(jù)太沙的計(jì)算公式作為例子，對(duì)涵側(cè)填土提升地基承載力的作用進(jìn)行討論。

　　太沙的計(jì)算公式為： ，當(dāng) 時(shí)， ，選擇的安全系數(shù)是3， 。由于涵洞的兩個(gè)側(cè)面的填土和上方填土是在同一時(shí)間進(jìn)行的，或者是兩側(cè)的填土比上方填土先，由此能夠看出涵側(cè)填土發(fā)生提高效應(yīng)之后，許多地質(zhì)條件都滿(mǎn)足提高承載力的需求。

　　3.模型試驗(yàn)和分析

　　進(jìn)行高路堤涵洞的地基承載力實(shí)驗(yàn)，其主要目的為探討涵洞地基的承載力隨涵側(cè)路堤填土高度的提高效應(yīng)。試驗(yàn)一共分作5環(huán)節(jié)進(jìn)行，具體的模擬涵側(cè)填土高度分別是0、3、6、9、12 m時(shí)的地基極限承載力。

　　3.1室內(nèi)模型

　　由材料以及加載條件的類(lèi)似原理，在一個(gè)長(zhǎng)是140米，寬是140 cm，高是120 cm的模型槽里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以粉質(zhì)粘土作為模型的土樣。把土樣分層搗實(shí)，然后裝到模型槽一直到預(yù)定的高度，然后使用沙袋壓住土樣48h，令其基本上能在自重條件下進(jìn)行正常凝結(jié)，至此地基土樣的備完畢。

　　3.2試驗(yàn)的裝置

　　主要由承壓板、沉降觀察裝置以及加荷裝置等部件構(gòu)成，施工過(guò)程中，使用100 kN的千斤頂向地基土以逐級(jí)的方式施加豎向荷載，把兩個(gè)百分表連接在承壓板的兩側(cè)，這樣能有效觀測(cè)到每一級(jí)荷載下地基土的變形情況，取平均值作為基礎(chǔ)的沉降量數(shù)值。

　　3. 3實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用慢速維持荷載的辦法，一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。結(jié)果繪出的精確的荷載沉降( P S) 曲線，如圖4所示。

　　圖四 不同側(cè)填土相對(duì)高度 h/ b的 P S 曲線

　　根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，選取第二特征屈服點(diǎn)確定地基極限承載力，結(jié)果如表1所示。

　　3.4試驗(yàn)結(jié)果的分析

　　(1)實(shí)際測(cè)量的Pu會(huì)伴隨側(cè)填土的高度增加而變大。這時(shí)涵側(cè)填土可以作為旁壓荷載，從而提升了地基土體的抗剪度，進(jìn)一步提高填方涵洞地基的承載力。通常在滑移線理論的角度考慮，側(cè)填荷載會(huì)使得土滑移線區(qū)域變大，最終導(dǎo)致極限狀態(tài)在平衡時(shí)能夠增加平衡的土的重力，從而提升地基承載力。

　　(2)在粉質(zhì)土上施工，側(cè)填荷載提升地基承載力的速率，并不如同理論的公式所述，能夠無(wú)限增大地基承載力，通常是先增大然后減小，當(dāng)承載力達(dá)到某個(gè)臨界值的時(shí)候，地基的承載力就會(huì)變成一個(gè)固定不變的常量。

　　(3)對(duì)側(cè)填土的臨界高度進(jìn)行正確的計(jì)算，是一個(gè)需要仔細(xì)考慮的問(wèn)題，因?yàn)楹瓊?cè)填土限制高填方涵洞基底土體的側(cè)向擠出，此時(shí)的填土臨界高度可以以埋深效應(yīng)中的臨界深度作為參考而確定計(jì)算辦法。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　根據(jù)上述的公式推導(dǎo)和試驗(yàn)分析，得知涵側(cè)填土能有效提高地基的承載力，同時(shí)也能增加側(cè)填土的高度以及夯實(shí)側(cè)填土。如果地基是粉質(zhì)的粘土，側(cè)填荷載提升地基承載力的速率是先增后減，當(dāng)承載力達(dá)到某個(gè)臨界值的時(shí)候，地基的承載力就會(huì)變成一個(gè)固定不變的常量。此外，使用常用的公式計(jì)算臨界高度內(nèi)的地基承載力時(shí)，要同時(shí)考慮選擇正確的計(jì)算公式和不同試驗(yàn)辦法所得出的計(jì)算參數(shù)的影響。在本試驗(yàn)中，使用側(cè)填荷載提高的地基的承載力，其修正結(jié)果比較接近實(shí)測(cè)值，操作簡(jiǎn)便，在施工的立場(chǎng)看，側(cè)填不但平衡了挖填方的土量，同時(shí)也提高了地基的承載力，降低了工程成本開(kāi)支和后期的維護(hù)支出。

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